CN105572682A - 一种井下空间测距方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下空间测距方法及装置，方法包括：S1：在三维空间中寻找测距目标点；S2：锁定目标点后进行激光测距，获得传感器反馈数据；S3：对数据进行坐标解算；S4：坐标解算完成后，获得测距目标点到测距基点的空间距离，同时可以选择是否将本次测距的目标点作为下一次测距基点；S5：重复步骤S1-S4，连续进行空间测距。此外，本发明还提供了相应的井下空间测距装置，该装置通过反射光路和电机控制一维激光测距传感器发射的激光束射向三维空间中的任意目标点，在短时间内便可对三维空间内的任意点进行空间测距，装置同时还可存储测距数据并将数据传送给数据接收终端，具有速度快、精度高等特性。

Description

一种井下空间测距方法及装置

技术领域

本发明属于空间测距领域，更具体地，涉及一种井下空间测距方法及装置。

背景技术

危险及复杂自然环境中的距离测量是一项困难的工作，黑暗的洞穴、隧道和煤矿井下等，这些不确定的自然条件都限制了大型测量设备的使用，也增加了人工进行距离测量的难度。

目前，要想实现空间中任意点间距离的测量，一般都使用全站仪或者人工测量的方式。人工皮尺测量有速度慢、效率差、精度低、需要手工记录数据等缺点，而且不确定的自然环境也限制了人工测量；全站仪能自动完成一个测站上测距、测角、自动计算水平距离、高差和坐标增量等观测工作，同时可自动显示、记录、存储和数据输出，实现了测量和处理过程的电子化和一体化，但其结构复杂，操作繁锁，携带不便，不适用于洞穴、隧道、煤矿井下等特殊自然环境中的距离测量。因此，在矿山井下、洞穴、隧道等危险且复杂的自然环境中亟需一种能够实现空间中任意两点距离测量的激光测距方法。

激光测距技术是目前应用较为广泛的一种激光技术，它与其他常用的测距方法相比，具有操作方便、精度高和随时随地均可使用等优点，而且激光测距的无接触式测量还可以避免人工参与，杜绝了对待测目标的人为破坏。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种井下空间测距方法及装置，旨在完成煤矿井下三维空间中任意点间距离的快速准确测量。

本发明提供的一种井下空间测距方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

第1步利用激光测距传感器，在三维空间中寻找测距目标点；

第2步锁定目标点后，获取激光测距传感器反馈的距离值和两个角度传感器反馈的角度值；

第3步利用激光测距传感器和角度传感器反馈的数据进行坐标解算，获得目标点相对于装置内部的机械原点的三维直角坐标；

第4步如果是以装置内部的机械原点为测距基点，则坐标解算获得目标点到装置内部机械原点的距离值，否则，获得本次测距目标点到所选测距基点的距离值；

第5步重复第1步到第4步，连续进行空间测距，直到任务完成。

本发明提供的一种井下空间测距装置，其特征在于，该装置包括激光测距传感器、窗口、水平台、四面镜、竖直电机、水平电机、电机驱动单元、微控制器和数据传输存储模块；其中，激光测距传感器安装在四面镜的上方，机械轴一端连接激光测距传感器，并使激光测距传感器位于四面镜的上方，另一端穿过四面镜中心与竖直电机相连，窗口位于四面镜的反射光路上，激光测距传感器、四面镜、窗口和竖直电机共同构成激光测距与反射光路模块；

所述水平台由底座支撑，并通过带角度传感器的机械轴与水平电机相连，水平电机能够带动水平台沿着水平方向旋转，激光测距传感器、窗口、四面镜和竖直电机都安装在所述水平台上，从而使得激光测距传感器、窗口及四面镜能够同时沿着水平方向旋转；

安装在水平电机与水平台相连的机械轴上的角度传感器用来测量水平台的旋转角，安装在竖直电机与四面镜相连的机械轴上的角度传感器用来测量四面镜的旋转角；

所述角度传感器，激光测距传感器，数据传输与存储模块，以及电机驱动单元均通过相应的接口与所述微控制器连接；

所述数据传输与存储模块用于将微控制器处理后数据存储下来，并将数据向外传送；

所述电机驱动单元用于将微控制器发出的控制信号转换成电机的驱动信号，使两路电机在驱动信号作用下旋转并带动四面镜与水平台旋转；

所述微控制器用于对向电机驱动单元输出控制信号，读取角度传感器和激光测距传感器反馈的数据并进行坐标解算，通过数据传输与存储模块记录测距数据并将数据传送。

本发明提供的装置工作时，所述激光测距传感器既是激光发射器又是接收器，其发射的激光束照射到所述四面镜的镜片上，经过四面镜反射后的激光从窗口射出，光束遇到障碍物后被反射回来构成激光传输的回路，激光测距传感器内部的接收器接收到激光回波信号，通过测量每次的出射信号与回波信号的差别，计算得到传感器内部的激光出射点到目标点的距离，激光测距传感器直接输出这个距离值。

本发明提供的方法具有测距精度高、易于实现等优点。使用便携式的空间测距装置可完成三维空间内的任意点间距离的测量，使用肉眼可见的红外激光可迅速寻找到测距目标点，而待测目标点无需工作人员，就可以在很短时间内便可精确的完成测量工作，相对于全站仪结构更简单，操作更方便，同时克服了以往人工测量速度慢、效率差、精度低等缺点。

附图说明

图1是激光扫描实现空间任意两点之间距离测量方法的流程框图；

图2是本发明提供的空间测距装置机械结构示意图；其中，1.激光测距传感器2.窗口3.水平台4.底座四面镜6.竖直电机7.水平电机；

图3是本发明提供的空间测距装置的硬件结构示意图；

图4是本发明提供的空间测距装置的水平旋转角与竖直旋转角示意图；

图5是本发明提供的空间测距装置的四面镜在各个旋转角度时的激光光路示意图；

图6是本发明提供的空间测距装置在水平方向与竖直方向分别绕轴旋转的示意图；

图7是本发明提供的空间测距装置的四面镜扫描几何模型图；

图8是本发明提供的空间测距装置进行三维空间测距的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面将参照附图说明来具体描述实施例中的空间测距方法，如图1所示，方法包括以下步骤：

S1：操作空间测距装置，在三维空间中寻找测距目标点。

本发明提供的空间测距装置所搭载的激光测距传感器发射肉眼可见的红外激光，装置使用两路电机使得激光测距传感器发射的红外激光束可以指向三维空间中的任意目标点，两路电机的启动与停止可分别手动操作，二者互不干扰，控制两路电机的启停即可控制激光束所指向的位置，待激光束指向目标点时，手动停止电机即可。

S2：锁定目标点后，启动激光测距传感器，获得激光测距传感器反馈的距离值和两个角度传感器反馈的角度值。

S3：利用激光测距传感器和角度传感器反馈的数据进行坐标解算，获得目标点相对于装置内部的机械原点的三维直角坐标，测距装置内部的机械原点默认为测距基点，测距基点可选择，可根据实际需求，手动选择是否将此次测距的目标点作为下一次测距的基准点(即原点)。

为了获取空间中某个测距目标点的三维坐标信息，需要确定三个维度值。由于空间点的笛卡尔直角坐标不易直接获得，可以先求取球面坐标，然后通过坐标平移与变换得到笛卡尔直角坐标。球面坐标由两个角度和一个长度组成，本实施例中空间测距装置的两个角度传感器反馈的角度值对应空间点球面坐标的两个角度，激光测距传感器反馈的距离值对应空间点球面坐标的一个长度。

S4：坐标解算完成后，若步骤S3中没有选择基点，即以装置内部的机械原点为测距基点，则获得目标点到装置内部机械原点的距离值，若步骤S3中选择了基点，则将获得本次测距目标点到所选基点的距离值。

S5：重复步骤S1-S4，连续进行空间测距，直到任务完成。

本发明实施例提供了一种井下空间测距装置，如图2、图3所示，该装置包括激光测距传感器1、窗口2、水平台3、底座4、四面镜5、竖直电机6、水平电机7、电机驱动单元、微控制器和数据传输存储模块。其中，激光测距传感器1安装在四面镜5的上方，带有角度传感器的机械轴(即竖直旋转轴)一端连接激光测距传感器1，并使激光测距传感器1位于四面镜5的上方，另一端穿过四面镜中心与竖直电机相连，窗口2位于四面镜5的反射光路上，激光测距传感器1、四面镜5、窗口2和竖直电机6共同构成激光测距与反射光路模块，激光测距传感器既是激光发射器又是接收器，其发射的激光束照射到四面镜5的镜片上，四面镜5在竖直电机6的带动下旋转，经过四面镜5反射后的激光从窗口2射出，光束射至物体表面后一部分将沿原路反射回来被激光测距传感器1接收。

水平台3由固定的底座4支撑，并通过带角度传感器的机械轴(即水平旋转轴)与水平电机7相连，水平电机7带动水平台3沿着水平方向旋转，激光测距传感器1、窗口2、四面镜5和竖直电机6都安装在可旋转的水平台3上，从而使得激光测距传感器1、窗口2及四面镜5同时沿着水平方向旋转。竖直电机6带动四面镜5旋转，水平电机7带动水平台3旋转，两路电机相互独立，互不干扰。

安装在水平电机7与水平台3相连的机械轴上的角度传感器用来测量水平台3的旋转角，安装在竖直电机6与四面镜5相连的机械轴上的角度传感器用来测量四面镜5的旋转角。

所述角度传感器，激光测距传感器，数据传输与存储模块，以及电机驱动单元均通过相应的接口与微控制器连接；

数据传输与存储模块用于将微控制器处理后数据存储下来，并将数据传送给上位机或者其他数据接收者，是测距装置与其他终端通信的枢纽；

电机驱动单元将微控制器发出的控制信号转换成电机的驱动信号，两路电机在驱动信号作用下旋转并带动四面镜与水平台旋转。

微控制器处在整个装置的中枢位置，连接和协调着其他各个模块。微控制器向电机驱动单元输出控制信号，读取角度传感器和激光测距传感器反馈的数据并进行坐标解算，通过数据传输与存储模块记录测距数据并将数据传送给上位机或者其他数据接收者。

该装置工作时，激光测距传感器产生的激光束经四面镜的反射从窗口射出，光束遇到障碍物后被反射回来构成激光传输的回路，激光测距传感器内部的接收器接收到激光回波信号，通过测量每次的出射信号与回波信号的差别，计算得到传感器内部的激光出射点到目标点的距离，激光测距传感器直接输出这个距离值。

四面镜在竖直电机的带动下旋转，激光测距传感器发出的光束照射到旋转四面镜的镜片上，激光测距传感器搭载一个带动四面镜旋转的机械轴将测距范围扩展到线上，由一维的激光测距构成了二维的线上扫描式测距。

如图4所示，本发明实施例提供的空间测距装置控制四面镜和水平台分别在竖直方向上和水平方向上绕轴旋转，水平旋转角和竖起旋转角通过角度传感器测量得到。

图5所示为四面镜在各个旋转角度时的激光光路示意图。激光测距传感器既是激光束发射源，也是激光接收器。在四面镜0度至90度旋转过程中，激光源发射激光束至四面镜的镜片上，激光束经由反射镜反射至障碍物处返回，激光源接收返回的激光束，激光束在这个来回反射的过程中，激光束在竖直视野上可完成180度扇面的扫描角度，其中，四面镜旋转到45度角度时，其来回发射的激光束与水平面平行。

要实现三维空间中任意点间距离的测量就要获取空间点的三维坐标信息，三维直角坐标系的原点需要选取在一个固定不变的点上。如图6所示，本发明实施例中的空间测距装置内部两个旋转轴，分别是水平旋转轴与竖直旋转轴，水平旋转轴沿OZ方向，竖直旋转轴沿OY方向，四面镜在竖直电机带动下绕竖直旋转轴旋转形成一个角度，水平台在水平电机带动下绕水平旋转轴旋转形成一个角度，这两个角度都通过安装在轴上的高分辨率角度传感器测量。水平旋转轴与竖直旋转轴的交点就是一个固定点，选取这个固定点O作为三维直角坐标系的原点。

为了获取空间中某个测距目标点的三维坐标信息，需要确定三个维度值。由于空间点的笛卡尔直角坐标不易直接获得，可以先求取球面坐标，然后通过坐标平移与变换得到笛卡尔直角坐标，组成空间点球面坐标的两个角度和一个长度，分别对应本发明实施例中空间测距装置的水平旋转角、竖直旋转角和激光测距传感器反馈的距离值。为了获得空间点准确的直角坐标数据，还需要一些几何参数，图7是四面镜扫描的几何模型图，O点是水平和竖直旋转轴的交点，在整个装置运转的过程中是不动的，作为三维直角坐标系的原点。在激光束的前进方向上有障碍物，B点是目标点，A点是激光在四面镜的某一面上的反射点，虚线框表示的四面镜是测距装置竖直方向上的参考位置，四面镜绕经过O点的轴线逆时针旋转。α，β，ρ是球面坐标数据，两个角度值和一个距离值，β是竖直旋转角度，α是水平旋转角度，ρ是激光出射点到目标点的距离。l是四面镜的边长，h是激光测距传感器到四面镜竖直参考位置的垂直距离，d是激光测距传感器中轴即激光束到四面镜竖直参考位置的水平距离。l，h，d是三个几何参数，与四面镜的尺寸和装置安装位置有关。O点(即四面镜的中心点)是水平旋转轴与竖直旋转轴的交点，是一个固定点。这里选取O点为三维直角坐标系的原点，利用平移、三角变换和其他几何计算手段，求得目标点相对于原点的笛卡尔直角坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\[\mathrm{\ρ}-\left(\frac{lsin\mathrm{\β}}{sin\mathrm{\β}+cos\mathrm{\β}+1}+h-dtan\mathrm{\β}\right)\]sin2\mathrm{\β}cos\mathrm{\α}+\left(\frac{l}{2}-d\right)cos\mathrm{\α}\\ y=\[\mathrm{\ρ}-\left(\frac{lsin\mathrm{\β}}{sin\mathrm{\β}+cos\mathrm{\β}+1}+h-dtan\mathrm{\β}\right)\]sin2\mathrm{\β}sin\mathrm{\α}+\left(\frac{l}{2}-d\right)sin\mathrm{\α}\\ z=\[\mathrm{\ρ}-\left(\frac{l\sin \mathrm{\β}}{sin\mathrm{\β}+cos\mathrm{\β}+1}+h-dtan\mathrm{\β}\right)\]\cos 2\mathrm{\β}+\left(\frac{l}{2}-\frac{lsin\mathrm{\β}}{sin\mathrm{\β}+cos\mathrm{\β}+1}+dtan\mathrm{\β}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

本发明实施例中的空间测距装置实现三维空间中的距离测量的示意图如图8所示，利用角度传感器反馈回来的两个角度值和激光测距传感器反馈的距离值进行坐标解算，结合公式(1)可得到目标点相对于原点的三维直角坐标分别为A(x₁，y₁，z₁)、B(x₂，y₂，z₂)、C(x₃，y₃，z₃)，根据三个点的三维直角坐标可获得多个距离，测距的基点默认为测距装置内部的机械原点，这个机械原点就是三维直角坐标系的原点，若使用默认基点则得到距离 $d_1=\sqrt{x_1^2+y_1^2+z_1^2},d_2=\sqrt{x_2^2+y_2^2+z_2^2},d_3=\sqrt{x_3^2+y_3^2+z_3^2};$ 若选择A点为测距基点，可得到A点到B点的空间距离A点到C点的空间距离若选择B点为测距基点，可得到B点到C点的空间距离 $\left|BC\right|=\sqrt{{(x_2-x_3)}^2+{(y_2-y_3)}^2+{(z_2-z_3)}^2}.$

综上所述，本发明提供的方法及装置使用激光测距的优势非常明显，具有精度高、易于实现等优点，能够胜任洞穴、隧道、煤矿井下等复杂特殊和危险自然环境中的距离测量任务，待测目标点无需工作人员就可以在很短时间内完成测量工作，相对于全站仪结构更简单，操作更方便，同时克服了以往人工测量速度慢、效率差、精度低等缺点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种井下空间测距方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

第1步利用激光测距传感器，在三维空间中寻找测距目标点；

第2步锁定目标点后，获取激光测距传感器反馈的距离值和两个角度传感器反馈的角度值；

第3步利用激光测距传感器和角度传感器反馈的数据进行坐标解算，获得目标点相对于装置内部的机械原点的三维直角坐标；

第4步如果是以装置内部的机械原点为测距基点，则坐标解算获得目标点到装置内部机械原点的距离值，否则，获得本次测距目标点到所选测距基点的距离值；

第5步重复第1步到第4步，连续进行空间测距，直到任务完成。

2.一种井下空间测距装置，其特征在于，该装置包括激光测距传感器、窗口、水平台、四面镜、竖直电机、水平电机、电机驱动单元、微控制器和数据传输与存储模块；其中，激光测距传感器安装在四面镜的上方，第一机械轴一端连接激光测距传感器，并使激光测距传感器位于四面镜的上方，另一端穿过四面镜中心与竖直电机相连，窗口位于四面镜的反射光路上，激光测距传感器、四面镜、窗口和竖直电机共同构成激光测距与反射光路模块；

所述水平台由底座支撑，并通过带角度传感器的机械轴与水平电机相连，水平电机能够带动水平台沿着水平方向旋转，激光测距传感器、窗口、四面镜和竖直电机都安装在所述水平台上，从而使得激光测距传感器、窗口及四面镜能够同时沿着水平方向旋转；

安装在水平电机与水平台相连的机械轴上的角度传感器用来测量水平台的旋转角，安装在竖直电机与四面镜相连的机械轴上的角度传感器用来测量四面镜的旋转角；

所述角度传感器，激光测距传感器，数据传输与存储模块，以及电机驱动单元均通过相应的接口与所述微控制器连接；

所述数据传输与存储模块用于将微控制器处理后的数据存储下来，并将数据向外传送；

所述电机驱动单元用于将微控制器发出的控制信号转换成电机的驱动信号，使两路电机在驱动信号作用下旋转并带动四面镜与水平台旋转；

所述微控制器用于对向电机驱动单元输出控制信号，读取角度传感器和激光测距传感器反馈的数据并进行坐标解算，通过数据传输与存储模块记录测距数据并将数据传送。

3.根据权利要求2所述的井下空间测距装置，其特征在于，该装置工作时，所述激光测距传感器既是激光发射器又是接收器，其发射的激光束照射到所述四面镜的镜片上，经过四面镜反射后的激光从窗口射出，光束遇到障碍物后被反射回来构成激光传输的回路，激光测距传感器内部的接收器接收到激光回波信号，通过测量每次的出射信号与回波信号的差别，计算得到传感器内部的激光出射点到目标点的距离，激光测距传感器直接输出这个距离值。

4.根据权利要求2或3所述的井下空间测距装置，其特征在于，所述四面镜在竖直电机的带动下旋转，激光测距传感器发出的光束照射到旋转四面镜的镜片上，激光测距传感器搭载一个带动四面镜旋转的机械轴将测距范围扩展到线上，由一维的激光测距构成了二维的线上扫描式测距。

5.根据权利要求2或3所述的井下空间测距装置，其特征在于，所述所述四面镜在竖直电机的带动下旋转，所述水平台在水平电机的带动下旋转，以水平旋转轴与竖直旋转轴的交点作为三维直角坐标系的原点，利用所述角度传感器反馈回来的两个角度值和所述激光测距传感器反馈的距离值，对目标点相对于原点的笛卡尔直角坐标进行坐标解算，得到目标点的三维空间位置。